东华大学覃小红教授Nano Energy：液态金属和电纺纳米纤维：可穿戴电子产品的神奇结合

研究背景

与传统的刚性电子产品不同，柔性、可拉伸的电子产品引起了广泛关注，因为它们可以在机械上与各种物体兼容。液态金属（LM）、本质上可拉伸的导电材料和静电纺丝的集成已成为制备柔性、可拉伸和透气电子产品的前沿方法。由于其固有的特性，LM 在与静电纺丝基材结合时不可避免地会出现一系列问题，例如界面集成度差或泄漏。因此，人们付出巨大的努力致力于解决LM和静电纺丝基材之间存在的挑战，以获得具有优异性能的柔性、可拉伸电子产品，以满足不同使用领域的要求。

近期，东华大学覃小红教授和王黎明教授发表综述，探讨了液态金属和静电纺纳米纤维的创新组合，突出了它们在改变柔性和可拉伸电子产品方面的潜力。相关研究成果以“Liquid metals and electrospun nanofibers: A magical marriage for wearable electronics”为题目，发表在期刊《Nano Energy》上。

本文要点：

• 首次总结了制备基于静电纺丝LM的柔性、可拉伸电子器件的各种策略。同时强调了各策略的优势和存在的问题。

• 总结了基于电纺LM的柔性可拉伸电子器件在可拉伸电路和显示器、可拉伸传感器、表皮电子器件和能量收集设备中的各种跨学科应用的成就。

• 基于静电纺丝LM的可穿戴电子产品的未来发展可以集中在界面交互、封装、可回收性和多功能集成上，以适应复杂的应用条件。

液态金属在可穿戴电子设备中面临的主要挑战有哪些？

1. 高表面张力：液态金属具有高表面张力，这使得它们在自由空间中倾向于形成球形。这一特性使得与电纺材料之间形成强结合变得困难，从而限制了它们在拉伸状态下的电性能。

2. 界面相互作用：液态金属与电纺纳米纤维膜之间的界面相互作用较差，可能会妨碍可拉伸电子设备的性能。改善这种界面结合对于增强材料在拉伸状态下的电性能至关重要。

3. 氧化问题：在氧气含量超过20 ppm的环境中，液态金属的表面可能会形成非晶态或结晶不良的氧化物。虽然这些氧化物可以降低表面张力，但它们会对液态金属的电导率产生负面影响。

4. 泄漏问题：由于液态金属在室温下处于液态，因此在制备和应用过程中存在泄漏的风险，这对其在可穿戴设备中的使用构成挑战。

5. 长期稳定性：尽管有多种方法可以改善界面结合，但实现长期使用的稳健且稳定的可拉伸电极仍然是一个重大挑战。

静电纺纳米纤维如何增强液态金属的性能?

1. 改善界面结合：引入电纺纳米纤维可以增强液态金属与纤维基体之间的界面相互作用。例如，加入氧化石墨烯（GO）等材料可以通过氢键形成稳定的结合，这显著提高了界面力和两者之间的整体粘附性。

2. 可拉伸性：电纺材料的全纤维结构与液态金属的流动性相结合，显示出色的可拉伸性。这种组合使材料在保持高达580%的拉伸度的同时，能够在显著应变下保持稳定的电导率。

3. 透气性和湿气渗透性：电纺纳米纤维的多孔结构提供了高渗透性，促进了与周围环境之间的有效物质和能量交换。这一特性对于可穿戴电子设备的应用至关重要，因为它允许有效的出汗和热调节。

4. 增强电导率：通过在纳米纤维表面预浸涂覆导电材料（例如银涂层），可以提高液态金属与纤维的亲和力。这导致在材料拉伸时电导特性得到增强，使其在电子应用中更为有效。

5. 多尺度导电结构：通过在纳米纤维膜表面超声处理碳纳米管（CNTs），可以创建多尺度导电结构。这种方法显著提高了材料的灵敏度，使其在需要高响应性的应用中表现更佳。

电纺液态金属基可拉伸电子学的未来研究方向是什么?

1. 改善界面结合：由于液态金属的高表面张力，液态金属与电纺纳米纤维膜之间的界面相互作用较差。未来的研究应集中在开发增强这种界面结合的方法，例如在电纺纤维表面涂覆金属物质（如银）或将液态金属与其他元素合金化，以提高兼容性。

2. 稳健性和耐久性：需要研究电纺液态金属基可拉伸电子设备的长期稳定性和耐久性。研究应旨在解决这些材料在反复变形和环境条件下的机械稳健性相关挑战。

3. 先进涂层技术：探索先进的涂层技术，以改善液态金属在纳米纤维上的粘附性和导电性，可以提高性能。这包括使用各种粘合材料或创新的表面处理方法，以增强液态金属与聚合物基材之间的相互作用。

4. 多功能材料：未来的研究可以集中在开发不仅提供电导率，还具备额外特性的多功能材料，例如传感能力、自愈特性或增强的热管理。这可以扩展这些材料在智能电子设备中的应用范围。

5. 可扩展性和制造技术：研究还应关注电纺液态金属基材料的生产方法的可扩展性。开发成本效益高且高效的制造工艺对于商业应用至关重要。

6. 特定应用研究：调查电纺液态金属基可拉伸电子设备的特定应用，例如在健康监测、柔性显示器或软机器人中的应用，可以提供对这些领域独特需求和挑战的深入了解。

 图1 基于LMS的电纺丝柔性、可拉伸电子器件的制备策略及应用综述。

 图2(a)静电纺丝和电喷涂技术制备复合材料流程图，及相应材料的扫描电镜(SEM)图像。(b)纳米LMS基可拉伸电极在原始状态和570%拉伸状态下的照片。(c) 100%张力下纳米LMS基可拉伸电极的循环拉伸电阻变化图。

 图3 同轴乳液静电纺丝。(a)同轴乳液静电纺丝工艺流程图。(b)烧结导电复合膜的光学显微镜图像。(c)在100%应变下，循环拉伸1000次，电阻变化。(d)不同应变水平(50%、100%、200%、300%、400%)下循环拉伸的阻力响应。(e)可拉伸电路在拉伸、扭曲和弯曲条件下的示意图。

 图4 LMs涂层。(a)可拉伸EGaIn-SBS丝的制作方案。(b) LMs-SBS纳米纤维的制作示意图。(c)芯套螺旋纱的制作工艺说明。(d) LMs-e-skin的制造过程示意图及其用于收集环境能量和自供电传感的用途。(e)LMs-Ag-SBS复合电极的制备工艺示意图。(f) LMs@PU/CNTs/LMs膜的制备示意图。

 图5 直接书写和转移印刷(a)在电纺丝纳米纤维薄膜上直接书写LMs的示意图以及印刷图案的光学和SEM图像。(b)转移印花制作工艺设计示意图。

 图6可伸缩电路和显示器的应用。

 图8可伸缩传感器的应用。

原文连接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110078